互操作性在智慧城市中的應用及標準化研究

摘 要：隨著信息技術的迅猛發展，智慧城市已成為未來城市發展的重要方向。互操作性作為智慧城市建設中不可或缺的一環，對于提升城市管理的智能化、信息化水平具有重要意義。本文旨在探討互操作性在智慧城市中的應用及其標準化研究，以期為智慧城市的建設提供參考。

關鍵詞：智慧城市，互操作性，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.17.008

0 引 言

智慧城市是指運用物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，實現城市基礎設施、公共服務、社會治理等領域的智能化、信息化、高效化[1]。在智慧城市建設中，互操作性是實現不同系統、不同設備、不同應用之間無縫連接、協同工作的關鍵。因此，對互操作性的應用及標準化研究具有重要的理論價值和實踐意義。

1 互操作性的概念和內涵

國際標準ISO/IEC 22123-1：2023[2]、ISO/IECTR 15944-14：2020[3]及ITU-T Y.101（03/2000）[4]中對于互操作性的定義為兩個或多個系統或應用程序交換信息并相互使用已交換信息的能力。互操作性包含以下四個特征：

（1）在跨越組織邊界的兩個或多個系統之間交換有意義的、可操作的信息；

（2）對所交換信息具有共同理解；

（3）對信息交換的回應有商定的預期；

（4）必要的服務質量：可靠性、真實性和安全性。

互操作性不僅僅是解決不同信息類別間的技術問題。為了交換和使用信息，所涉及的系統需要在信息和組織類別之間使用一致的互操作性機制[5]。

2 智慧城市互操作性應用框架

智慧城市互操作性應用框架（如圖1所示）主要由技術、信息和組織三個核心層面構成。組織層面聚焦于互操作的實用性，代表了交互的策略和業務驅動因素。信息層面強調互操作的語義層面，專注于正在交換的信息及其內在含義。技術層面側重于信息的語法或格式，關注信息在消息交換和通信媒介中的呈現方式。并細分為八個互操作性類別，包括基本連接性、網絡互操作性、句法互操作性、語義理解、業務背景、業務流程、業務目標以及經濟/監管政策等[6]。

交叉領域問題，作為實現互操作性的關鍵所在，需要被妥善處理并達成共識。這些問題通常與多個互操作性類別緊密相連，它們有助于組織具體的工作項目，并鼓勵尋求解決方案的建議。在處理這些問題時，需要優先考慮它們對互操作性的影響，并在解決方向上建立明確的協議，以推動智慧城市的發展進程[5]。

3 互操作性在智慧城市中的應用

3.1 美國智慧城市互操作性應用案例

在美國，開放地理空間聯盟（OGC）在美國國土安全部（DHS）科學技術局（Samp;T）的贊助下，發起了《智慧城市互操作性參考體系結構（SCIRA）》這一創新項目。該項目針對智慧城市中的互操作性問題，提出了一個獨特的解決方案，并成功應用于實際。

SCIRA項目通過制定標準化的智慧城市安全框架，并開發開放、可互操作的設計，將物聯網（IoT）傳感器無縫整合到城市服務中。SCIRA不僅提供免費的部署指南和可重復使用的設計模式，還通過引入一系列資源，幫助市政當局利用物聯網（IoT）、傳感器Web和地理空間框架等先進技術，規劃、構建和實施基于標準的、成本效益高、供應商無關的、面向未來的智慧城市IT系統和網絡。

在智慧城市建設中，由于缺乏對通用術語和智慧城市建設原則的共識，常常導致標準之間的分歧甚至矛盾，這使得許多基于物聯網（IoT）和網絡物理系統（CPS）技術的應用難以達到預期的互操作性和可擴展性。SCIRA項目正是為了解決這些問題而設計，它致力于研究和測試一個可重用的設計工具包——智慧城市互操作性參考體系結構（SCIRA），這一工具包展示了如何將商業專有的物聯網傳感器集成到社區級公共安全應用的通用框架中[7]。

通過這一應用案例，可以體現互操作性在智慧城市建設中扮演著至關重要的角色。它不僅促進了不同系統之間的無縫集成，消除了信息孤島，還提高了智慧城市應用的整體效率和可靠性。同時，也為智慧城市的可持續發展奠定了堅實的基礎。

3.2 歐洲智慧城市互操作性應用案例

歐盟、德勤和魯汶大學發布了歐洲智慧城市和社區互操作性框架提案（EIF4SCC）。EIF4SCC的目標是“為歐盟地方行政領導者提供定義、原則、建議，包括實際用例和通用模型，以實現跨領域、城市、地區和邊界的公共服務交付。”

自2010年以來，歐洲已經有了互操作性框架，EIF4SCC側重于區域細節，旨在幫助制定必要的基礎設施計劃，以確保商品和服務繼續從一個地方流向另一個地方。它適應當地情況，并為當地領導人提供指導方針、定義和原則。此外，來自幾個歐洲城市的實際用例展示了此類系統如何在考慮公民的情況下發展。主要包括互操作性的五個方面：

（1）技術可操作性：追求開放標準以確保城市可以使用可用的智能系統進行鏈接和通信；

（2）語義可操作性：城市之間的任何數據交換都保持清晰和不變；

（3）組織可操作性：文檔對于確保流程透明至關重要，而調整流程有助于信息交換；

（4）法律互操作性：因為許多城市都在自己的邊界之外工作，這個特殊的目標確保他們能夠在法律差異的情況下一起工作；

（5）文化互操作性：一個小世界使得文化敏感性和理解對于與其他實體和地區的合作具有內在的意義；

以及隱含的第六個領域——互操作性治理——明確而精確的措施確保地方當局可以采取必要的步驟來調整結構以適應其特定區域的細微差別[8]。

4 互操作性標準化現狀

4.1 國際互操作性標準化現狀

國際互操作性標準化進展在近年來呈現出積極的態勢，涵蓋了多個領域，包括工業自動化、信息技術、電動汽車、物聯網等。以下是對國際互操作性標準化進展的清晰歸納和總結：

在工業自動化領域，國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）等多個機構共同制定了一系列工業自動化領域的互操作性標準，如IEC 61499[9]系列標準，它提供了工業自動化系統分布式功能塊的建模和互操作性方法。

在信息技術領域，國際標準化組織如ISO/IECJTC 1（信息技術標準化聯合技術委員會）推動了信息技術產品和系統的互操作性標準化工作，如通過制定統一的網絡協議、數據格式和接口標準等。

在電動汽車領域，國際電工委員會（I EC）和國際標準化組織（ISO）共同制定了一系列電動汽車充電設施的互操作性標準，如IEC 61851[10]和ISO15118[11]，以確保不同品牌電動汽車與充電設施之間的互操作性。

在物聯網領域，物聯網領域的互操作性標準化工作正在逐步推進，包括制定統一的設備連接協議、數據交換格式和安全標準等。例如，物聯網標準聯盟（IoTivity）和開放互聯基金會（OpenConnectivity Foundation， OCF）等組織都在推動物聯網設備的互操作性標準化。

4.2 我國互操作性標準化現狀

我國在互操作性標準化方面取得了顯著的進展，這些標準覆蓋了多個領域，包括信息安全、工業自動化、電動汽車、物聯網等，具有以下特點：

（1）多領域覆蓋：從信息安全（如G B / T29241—2012[12]）到工業自動化（如GB/T 19902[13]系列），再到電動汽車（如GB/ T 34657[14]和GB/ T38775[15]系列）和物聯網（如GB/T 41782[16]系列），我國的互操作性標準涵蓋了廣泛的領域，顯示出我國在不同行業推動互操作性標準化的全面性和深度。

（2）標準化體系完善：在工業自動化領域，GB/T 19902[13]系列標準從框架、方法論到接口服務、協議、能力模板，再到一致性測試方法和專規匹配的方法學，形成了一套完整的標準化體系，為工業自動化系統的互操作性提供了全面指導。

（3）技術創新與標準化結合：在信息技術領域，如GB/ T 32392[17]系列標準提出了互操作性元模型框架（MFI），為信息技術領域內的互操作性提供了標準化的模型和方法論，體現了技術創新與標準化的緊密結合。

（4）關注實際應用：在電動汽車領域，GB/ T34657[14]和GB/T 38775[15]系列標準針對傳導充電和無線充電的互操作性提出了具體的要求和測試規范，關注了實際應用中的互操作性問題。

（5）與國際接軌：我國互操作性標準在制定過程中也積極借鑒國際標準和經驗，如GB/T 41782[16]系列標準在物聯網系統互操作性方面與國際標準保持了一致性。

我國在互操作性標準化方面取得了顯著的進展，這些標準不僅為我國各行業的發展提供了有力支持，也為我國在國際舞臺上展示標準化領域的實力奠定了基礎。

5 我國智慧城市互操作性標準化工作建議

智慧城市互操作性標準化工作對智慧城市高質量發展起著基礎性、戰略性支撐作用，為智慧城市建設與發展提供規范和指導。結合我國智慧城市互操作性標準化工作發展現狀，對智慧城市互操作性標準化工作提出以下建議：

（1）加快制定和完善智慧城市互操作性標準體系

基于智慧城市發展的整體規劃和需求，系統梳理現有標準，識別標準缺口和需求，優先制定和完善基礎性和關鍵性的互操作性標準。鼓勵跨行業、跨領域的標準制定和協作，形成完備統一、上下銜接的智慧城市互操作性標準體系。

（2）強化互操作性技術創新與標準化工作的融合

鼓勵企業和研究機構將最新的互操作性技術創新成果轉化為標準，推動標準與技術的同步發展。加強標準化工作與科研項目的結合，將標準研究納入科研項目計劃中，提升標準的科技含量和前瞻性。

（3）推廣實施智慧城市互操作性標準

加大對智慧城市互操作性標準的宣傳力度，提高各相關方對標準的認知和重視程度。制定實施指南和培訓計劃，幫助各方更好地理解和應用標準，提升標準的實施效果。鼓勵企業、產業聯盟等產業界力量積極參與智慧城市互操作性標準化工作，提出實際需求和問題，推動標準更好地滿足市場需求。

（4）深化國際交流與合作

積極參與國際智慧城市標準化組織和活動，學習借鑒國際先進經驗和技術，提高我國智慧城市互操作性標準的國際化水平。加強與國際標準化組織的合作，推動國內標準與國際標準的接軌和互認，提升我國智慧城市互操作性標準在國際上的影響力和話語權。

6 結 語

對互操作性在智慧城市中的應用及標準化進行研究。結果表明，互操作性是智慧城市建設的關鍵驅動力，對于提升城市管理水平、增強城市競爭力具有不可替代的作用。通過加強互操作性標準化工作，可以進一步提升智慧城市建設的質量和效率，為城市的可持續發展奠定堅實的基礎。展望未來，隨著信息技術的飛速發展和深入應用，智慧城市互操作性標準化工作將繼續深化，為智慧城市高質量發展貢獻更多力量。

參考文獻

[1]李賢毅.新型智慧城市中的信息技術應用探討[J].通訊世界， 2021（1）：74-75.

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[8]千家網.歐盟發布智慧城市互操作性提案[R/OL]. （2021-09-13）[2024-06-29].https：//cabling.qianjia.com/html/2021-09/13_383199.html.

[9]Function blocks series：IEC 61499： 2013[S]. 2013.

[10]Electric vehicle conductive charging system series：IEC 61851： 2023[S]. 2023.

[11]Road vehicles-Vehicle-to-grid communication interface series：ISO 15118： 2022[S]. 2022.

[12]信息安全技術 公鑰基礎設施 PKI互操作性評估準則：GB/T 29241—2012[S].2012.

[13]工業自動化系統與集成 制造軟件互操作性能力建規系列標準：GB/T 19902[S].2005.

[14]電動汽車傳導充電互操作性測試規范系列標準：GB/T34657[S].2017.

[15]電動汽車無線充電系統系列標準：GB/T 38775[S].2020.

[16]物聯網 系統互操作性系列標準：GB/T 41782[S].2022.

[17]信息技術 互操作性元模型框架系列標準：GB/T 32392[S].2018.

作者簡介

吳菁，通信作者，碩士，工程師，研究方向為質量工程。

賈廷辰，碩士，高級工程師，研究方向為質量工程。

劉金琳，碩士，工程師，研究方向為信息技術標準化。

張明狀，碩士，工程師，研究方向為信息技術標準化。

（責任編輯：袁文靜）